无机化合物半导体及其制造方法以及使用了该无机化合物半导体的光能转换元件与流程

1.本技术涉及无机化合物半导体及其制造方法以及使用了该无机化合物半导体的光能转换元件。


背景技术：

2.通过对半导体照射具有该半导体的带隙以上的能量的光，该半导体产生电子
‑
空穴对。半导体用于(i)将上述电子
‑
空穴对分离而输出电能的太阳能电池或光检测元件以及(ii)通过将上述电子
‑
空穴对用于水分解的化学反应而将水分解来制造氢的氢制造装置。
3.非专利文献1公开了使用了具有各种带隙的半导体材料的太阳能电池的转换效率。作为一个例子，根据非专利文献1，使用具有1.81ev的带隙的gainp的单结太阳能电池具有20.8％的转换效率。
4.非专利文献2公开了适于太阳能电池的半导体的带隙。非专利文献2中公开了将具有互不相同的带隙的多种半导体作为光能转换层进行层叠而成的多结型太阳能电池。根据非专利文献2，就将具有互不相同的带隙的两种半导体层叠而成的串联型太阳能电池来说，位于最外侧的第一光能转换层的半导体的带隙优选为约1.7ev，位于第一光能转换层的背面侧的第二光能转换层的半导体的带隙优选为约1.1ev。此外，根据非专利文献2，就将具有互不相同的带隙的三种半导体层叠而成的串联型太阳能电池来说，位于最外侧的第一光能转换层的半导体的带隙优选为约1.9ev，位于第一光能转换层的背面侧的第二光能转换层的半导体的带隙优选为约1.4ev，位于第二光能转换层的背面侧的第三光能转换层的半导体的带隙优选为约1.0ev。
5.非专利文献3公开了适于基于太阳能的水分解(以下有时称为“阳光水分解”)的半导体的带隙。此外，非专利文献3公开了一种具有串联型结构的器件，该串联型结构的器件是将具有互不相同的带隙的两种半导体层叠而成的。根据非专利文献3，就具有串联型结构的器件来说，位于光射入侧的顶部电池的半导体的带隙优选为约1.8ev，底部电池的半导体的带隙优选为约1.2ev。
6.非专利文献4公开了涉及一种具有串联型结构的阳光水分解器件，该串联型结构是将具有互不相同的带隙的两种半导体层叠而成的。关于该阳光水分解器件，非专利文献4公开了通过模拟阳光照射而实际地进行水的分解反应。
7.现有技术文献
8.非专利文献
9.非专利文献1：polman a.et al.,“photovoltaic materials:present efficiencies and future challenges”,science,352,aad 4424(2016)
10.非专利文献2：lin z.et al.,“conversion efficiency limits and bandgap designs for multi
‑
junction solar cells with internal radiative efficiencies below unity”,optics express,vol.24,a740
‑
a751(2016)
11.非专利文献3：linsey c.seitz et al.,“modeling practical performance limits of photoelectrochemical water splitting based on the current state of materials research”,chemsuschem,vol.7,1372
‑
1385(2014)
12.非专利文献4：chen,y.
‑
s.et al.,“all solution
‑
processed lead halide perovskite
‑
bivo4 tandem assembly for photolytic solar fuels production”,j.am.chem.soc.,137,974
‑
981(2015)


技术实现要素：

13.发明所要解决的问题
14.本技术的目的在于：提供新型无机化合物半导体。
15.用于解决问题的手段
16.本技术的无机化合物半导体含有钇、锌以及氮。
17.发明效果
18.本技术提供新型无机化合物半导体。本技术的新型无机化合物半导体能够将光转换成电能。
附图说明
19.图1示出yzn3n3的晶体结构。
20.图2示出通过第一原理计算法而算出的yzn3n3的吸光系数光谱。
21.图3示出y
‑
zn
‑
n系在化学势空间的状态图。
22.图4示出第二实施方式的光能转换元件的剖视图。
23.图5示出第三实施方式的器件的剖视图。
24.图6示出第四实施方式的器件的剖视图。
25.图7示出第四实施方式的器件的变形例的剖视图。
26.图8示出由试样1形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。
27.图9a示出由试样1形成的薄膜的吸光系数光谱。
28.图9b示出由试样1形成的薄膜的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。
29.图10示出由试样2形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。
30.图11a示出由试样2形成的薄膜的吸光系数光谱。
31.图11b示出由试样2形成的薄膜的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。
32.图12示出由试样3形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。
33.图13a示出由试样3形成的薄膜的吸光系数光谱。
34.图13b示出由试样3形成的薄膜的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。
35.图14示出由试样4形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。
36.图15a示出由试样4形成的薄膜的吸光系数光谱。
37.图15b示出由试样4形成的薄膜的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。
具体实施方式
38.以下，参照附图对本技术的实施方式进行详细说明。
39.本技术的第一实施方式的无机化合物半导体含有钇、锌以及氮。第一实施方式的无机化合物半导体是能够作为光能转换材料使用的新型半导体材料。
40.第一实施方式的无机化合物半导体可以是含有钇、锌以及氮作为主成分的化合物。在第一实施方式的无机化合物半导体是含有钇、锌以及氮作为主成分的化合物的情况下，第一实施方式的无机化合物半导体可以具有适于光能转换元件的光能转换层的带隙。
41.第一实施方式的无机化合物半导体可以实质上由钇、锌以及氮构成。在第一实施方式的无机化合物半导体实质上由钇、锌以及氮构成的情况下，第一实施方式的无机化合物半导体可以具有适于光能转换元件的光能转换层的带隙。
42.无机化合物半导体实质上由钇、锌以及氮形成是指就该无机化合物半导体来说钇、锌以及氮的摩尔比的总计例如为95％以上。
43.第一实施方式的无机化合物半导体也可以仅由钇、锌以及氮构成。
44.第一实施方式的无机化合物半导体可以具有六方晶系的晶体结构。在第一实施方式的无机化合物半导体具有六方晶系的晶体结构的情况下，第一实施方式的无机化合物半导体可以具有适于光能转换元件的光能转换层的带隙。
45.就第一实施方式的无机化合物半导体来说，锌与钇之摩尔比可以为2.5～6。在该摩尔比为2.5～6的情况下，第一实施方式的无机化合物半导体可以具有适于光能转换元件的光能转换层的带隙。
46.上述摩尔比可以是3.0或4.8。在上述摩尔比为3.0或4.8的情况下，第一实施方式的无机化合物半导体可以具有适于光能转换元件的光能转换层的带隙。
47.第一实施方式的无机化合物半导体可以具有1.7ev～2.5ev的带隙。第一实施方式的无机化合物半导体可以是适于光能转换元件的光能转换层的光能转换材料。
48.第一实施方式的无机化合物半导体可以由化学式yzn3n3表示。
49.以下，第一实施方式的无机化合物半导体以由化学式yzn3n3表示并且具有六方晶系的晶体结构为前提，对第一实施方式的无机化合物半导体进行说明。
50.图1示出yzn3n3的晶体结构。图1所示的yzn3n3的晶体具有六方晶系。使用图1所示的晶体结构进行了基于第一原理计算的yzn3n3的晶体结构优化。第一原理计算基于密度泛函理论并使用paw(投影缀加波；projector augmented wave)法来进行。在晶体结构优化及吸光系数的计算中，表现作为电子间的相互作用的交换关联项的电子密度的记述使用从广义梯度近似(generalized gradient approximation，以下称为“gga”)派生的perdew
‑
burke
‑
ernzerh of revised for solids(以下称为“pbesol”)。在带隙、电子的有效质量以及空穴的有效质量的计算中，表现作为电子间的相互作用的交换关联项的电子密度的记述使用了混合泛函。在该混合泛函中，将perdew
‑
burke
‑
ernzerhof(以下称为“pbe”)的交换能的一部分替换为hartree
‑
fock的交换能。已知通过使用混合泛函能够以高精度预测带隙这样的半导体物性值。例如，如果使用混合泛函，则带隙这样的半导体物性值与使用了pbesol的情况相比能够以更高精度预测。使用优化后的晶体结构通过第一原理计算法算出了
yzn3n3的带隙、电子的有效质量、空穴的有效质量以及吸光系数光谱。
51.就电子的有效质量来说，假设能量分散中的导带的底为抛物状并根据状态密度对其进行了计算。相同地，就空穴的有效质量来说，假设能量分散中的价电子带的顶部为抛物状并根据状态密度对其进行了计算。吸光系数光谱通过根据第一原理计算法并使用pbesol而算出的介电函数来进行了计算。图2示出通过第一原理计算法并使用pbesol而算出的yzn3n3的吸光系数光谱。表1示出了使用混合泛函算出的yzn3n3的带隙、电子的有效质量以及空穴的有效质量。另外，表1还示出了使用pbesol算出的yzn3n3的带隙以及比该带隙大0.2ev的能量下的吸光系数。
52.如在该技术领域中众所周知的那样，在本说明书中使用的术语“比yzn3n3的带隙大0.2ev的能量下的吸光系数”是指根据如上所述地计算得到的吸光系数光谱的图表(参照图2)而求出的值。该图表的横轴及纵轴分别表示能量及吸光系数。在能量比带隙小的情况下，吸光系数为0。“比yzn3n3的带隙大0.2ev的能量下的吸光系数”是与比yzn3n3的带隙大0.2ev的能量相对应的吸光系数。如在后面表1中所述，使用pbesol算出的yzn3n3的带隙为1.2ev，因此“比yzn3n3的带隙大0.2ev的能量下的吸光系数”是指1.4ev下的吸光系数。关于电子的有效质量，表1中示出了电子的有效质量(me*)与电子的静止质量(m0)之比。换言之，比(me*/m0)在表1中以电子的有效质量的形式示出。关于空穴的有效质量，表1示出了空穴的有效质量(mh*)与电子的静止质量(m0)之比。换言之，比(mh*/m0)在表1中以空穴的有效质量的形式示出。图2示出yzn3n3的光吸收光谱。
53.根据表1及图2可知：yzn3n3在太阳能电池或阳光水分解器件这样的光能转换元件中具有适于光能转换层的材料的带隙。进而，就光能转换元件来说，被光激发的电子和空穴需要在不失活的情况下到达电极。相同地，被光激发的电子及空穴需要在不失活的情况下在发生化学反应之前到达表面。因此，就光能转换材料来说，期望电子的有效质量及空穴的有效质量这两者均小。例如，电子的有效质量与电子的静止质量之比期望低于1.5。以下，将电子的有效质量与电子的静止质量之比称为电子的有效质量比。相同地，空穴的有效质量与电子的静止质量之比期望低于1.5。以下，空穴的有效质量与电子的静止质量之比称为空穴的有效质量比。yzn3n3具有低于1的电子的有效质量比及低于1的空穴的有效质量比。因此，yzn3n3可以说作为半导体材料具有非常小的有效质量。另外，yzn3n3在比使用pbesol算出的yzn3n3的带隙大0.2ev的能量下即在1.4ev的能量下具有1.4
×
104cm
‑1这样的大的吸光系数。参照图2。根据图2可知：比yzn3n3的带隙(即1.2ev)大0.2ev的能量(即1.4ev)下的吸光系数为1.4
×
104cm
‑1。如图2所示，1.4ev以上的能量下的吸光系数为1.4
×
104cm
‑1以上。因此，yzn3n3在1.4ev以上的能量的范围具有1.4
×
104cm
‑1以上的大的吸光系数。已知使用gga(包含pbesol)算出的带隙比实际合成的化合物的带隙小。作为一个例子，使用gga(包含pbesol)算出的带隙有时会成为实际合成的化合物的带隙的0.5倍左右。
54.此外，zn的3d轨道及n的2p轨道杂化的结果是价电子带由反键轨道构成。在具有这样的电子结构的材料导入了缺陷的情况下，期待在不形成深能级的情况下在该材料形成浅能级。深能级作为载流子的复合位点发挥功能并对载流子传输特性带来不良影响。因此，就光能转换元件的材料来说，即使存在缺陷的情况下，也具有形成浅能级的特性。
55.由以上内容可知：yzn3n3作为光能转换元件的材料是非常有希望的。即yzn3n3在例如用于后述的多结型光能转换元件的第一光能转换层的情况下，其光能转换元件效率良好
地吸收适当波长的阳光。其结果是光能转换元件可以显示出良好的载流子迁移特性。这样一来，光能转换元件能够实现高能量转换效率。
56.表1
[0057][0058]
接着，对第一实施方式的无机化合物半导体的制造方法进行说明。作为一个例子，制造第一实施方式的无机化合物半导体的方法包括：通过在包含氮的气氛下使用包含y及zn的原料的溅射法，形成含有y、zn以及n的上述无机化合物半导体的工序(a)。
[0059]
未报告合成例的无机化合物半导体(例如yzn3n3)通过上述制造方法来合成。上述制造方法不包含复杂的工序，因此不需要特别的装置。故而，能够以低成本通过上述制造方法来制造包含y、zn以及n的无机化合物半导体。
[0060]
用作原料的材料没有限定。用作原料的材料的例子是单质金属(例如y或zn)、合金(例如yzn3或yzn5)、氧化物(例如zno或y2o3)、氮化物(例如zn3n2或yn)、金属盐(例如碳酸盐或氯化物)或它们的混合物。
[0061]
通常来说，合成氮化物时氮分子难以发生反应。为了提高氮分子的反应性，作为一个例子，可以提高选自氮的化学势(以下称为“氮势”)及原料的反应性中的至少一种。图3示出y
‑
zn
‑
n系在化学势空间的状态图。由图3可以理解：为了合成yzn3n3，需要高的氮势。溅射法能够提高氮势。这是因为：在靶材附近，等离子体化之后的氮气与靶材反应。
[0062]
[第二实施方式]
[0063]
本技术的第二实施方式的光能转换元件具备含有第一实施方式的无机化合物半导体的光能转换层。光能转换元件可以具有将互不相同的两种光能转换层层叠而成的两层结构。即，第二实施方式的光能转换元件可以具备含有第一实施方式的无机化合物半导体的第一光能转换层以及含有光能转换材料的第二光能转换层。在第二光能转换层所含有的光能转换材料具有比第一实施方式的无机化合物半导体窄的带隙。
[0064]
以下，作为多结型光能转换元件的一个例子，对具备两层光能转换层的光能转换元件进行说明。
[0065]
图4示出第二实施方式的光能转换元件100的剖视图。如图4所示，光500从规定的方向射入光能转换元件100。光能转换元件100具备第一光能转换层110及第二光能转换层120。第二光能转换层120配置于在光相对于光能转换元件100的入射方向上比第一光能转换层110更靠近下游侧。就图4来说，光能转换元件100仅由第一光能转换层110及第二光能转换层120构成。然而，光能转换元件100可以进一步具备除了第一光能转换层110及第二光能转换层120以外的其它要素。图4中，符号130表示第一电极130。
[0066]
如图4所示，光能转换元件100具有将互不相同的两层光能转换层层叠而成的两层结构。具备两层光能转换层的多结型光能转换元件有时称为串联型光能转换元件。
[0067]
第一光能转换层110及第二光能转换层120分别含有第一光能转换材料及第二光
能转换材料。第一光能转换材料及第二光能转换材料要求具有适当的带隙。第一光能转换材料可以具有1.5ev～2.5ev的带隙。第二光能转换材料可以具有0.8ev～1.4ev的带隙。
[0068]
第一光能转换层110含有第一实施方式的无机化合物半导体作为第一光能转换材料。如第一实施方式中进行了说明的那样，yzn3n3作为第一光能转换材料具有适当的带隙。
[0069]
第二光能转换材料具有比第一光能转换材料窄的带隙。第一光能转换材料及第二光能转换材料的带隙之差可以为0.2ev～1.0ev。作为一个例子，第二光能转换材料为si。
[0070]
就图4来说，第一电极130配置于在光的入射方向上比第二光能转换层120更靠近下游侧。然而，第一电极130的位置不限于图4所示的位置。第一电极130也可以配置于在光的入射方向上比第一光能转换层110更靠近上游侧。第一电极130可以是具有光从第一电极130透射这样的透明性的导电体。光的例子为可见光。在第一电极130相对于光的入射方向配置于比第二光能转换层120更靠近上游侧的情况下，第一电极130需要是具有光从第一电极130透射这样的透明性的导电体。
[0071]
图4所示的光能转换元件100所包含的光能转换层的数量为两个。然而，本技术的多结型光能转换元件也可以包含三层以上的光能转换层。在多结型光能转换元件包含三层以上的光能转换层的情况下，第一光能转换层110及第二光能转换层120在光相对于多结型光能转换元件的入射方向上分别位于上游侧及下游侧。在光的入射方向上，可以在比第一光能转换层110更靠近上游侧进一步设置其它光能转换层。也可以在第一光能转换层110及第二光能转换层120之间进一步设置其它光能转换层。也可以在比第二光能转换层120更靠近下游侧进一步设置其它光能转换层。就图4来说，第一光能转换层110与第二光能转换层120相接。然而，也可以在第一光能转换层110及第二光能转换层120之间设置接合层。
[0072]
本技术的光能转换元件100也可以不是多结型。即，光能转换元件100所包含的光能转换层的数量可以为一个。当然，该光能转换层含有第一实施方式的无机化合物半导体。
[0073]
[第三实施方式]
[0074]
图5示出本技术的第三实施方式的器件200的剖视图。图5所示的器件200具备第二实施方式的光能转换元件100。器件200不仅具备第一电极130，还具备第二电极210。第一电极130已经在实施方式1中进行了说明。如图5所示，第一电极130配置于在光的入射方向上比第二光能转换层120更靠近下游侧。然而，第一电极130也可以配置于在光的入射方向上比第一光能转换层110更靠近上游侧。具备第一光能转换层110及第二光能转换层120的光能转换元件100设置于第一电极130及第二电极210之间。
[0075]
就器件200来说，利用光能转换元件100，并且将向该光能转换元件100照射的光转换成电力。就图5所示的器件200来说，在光的入射方向上，第二电极210配置于比光能转换元件100更靠近上游侧。第二电极210是具有对于光(例如可见光)的透明性的导电体。在第一电极130配置于在光的入射方向上比第一光能转换层110更靠近上游侧的情况下，第二电极210配置于比第二光能转换层120更靠近下游侧。因此，在该情况下，第一电极具有对于光(例如可见光)的透明性，第二电极210可以不具有对于光(例如可见光)的透明性。
[0076]
如果光向器件200照射，则从第二电极210透射的光所包含的短波长成分被第一光能转换层110吸收。未被第一光能转换层110吸收的长波长成分在第二光能转换层120被第二光能转换材料吸收。被第一光能转换层110及第二光能转换层120吸收之后的光能转换成电能，并介由第一电极130及第二电极210取出。
[0077]
[第四实施方式]
[0078]
图6示出本技术的第四实施方式的器件300的剖视图。图6所示的器件300具备第一实施方式的光能转换元件100。器件300进一步具备第一电极130、第二电极310、液体330及容器340。器件300通过向该光能转换元件100照射光而将水分解。第一电极130如在实施方式1进行了说明的那样。
[0079]
第二电极310隔着导线320与光能转换元件100的第一电极130电连接。
[0080]
液体330为水或电解质溶液。电解质溶液为酸性或碱性。具体来说，电解质溶液的例子是硫酸水溶液、硫酸钠水溶液、碳酸钠水溶液、磷酸缓冲液或硼酸缓冲液。
[0081]
容器340收纳光能转换元件100、第二电极310及液体330。容器340可以是透明的。具体来说，为了使光从容器340的外部传递至容器340的内部，容器340的至少一部分可以是透明的。
[0082]
如果向光能转换元件100照射光，则在光能转换元件100的表面上产生氧或氢，在第二电极310的表面上产生氢或氧。阳光这样的光通过容器340到达光能转换元件100。在吸收了光之后的第一光能转换层110及第二光能转换层120的光能转换材料的导带及价电子带中分别产生电子及空穴。通过这些电子及空穴而发生水分解反应。在作为光能转换元件100的光能转换材料所包含的半导体为n型半导体的情况下，在光能转换元件100的表面上，如下述反应式(1)所示地水被分解而产生氧。同时，在第二电极310的表面上，如下述反应式(2)所示地产生氢。在作为光能转换元件100的光能转换材料所包含的半导体为p型半导体的情况下，在第二电极310的表面上，如下述反应式(1)所示地水被分解而产生氧。同时，在光能转换元件100的表面上，如下述反应式(2)所示地产生氢。
[0083]
(化学式1)
[0084]
4h

2h2o
→
o2↑
4h

(1)
[0085]
(h

表示空穴)
[0086]
(化学式2)
[0087]
4e
‑
4h

→
2h2↑
(2)
[0088]
就图6所示的器件300来说，光从第一电极130透射，接着从第一电极130透射的光可以到达光能转换元件100。或者，光从第二电极310透射，接着从第二电极310透射的光可以到达光能转换元件100。在从第二电极310透射的光到达光能转换元件100的情况下，第二电极310具有对于光(例如可见光)的透明性。
[0089]
第四实施方式的器件不限于图6所示的器件300。如图7所示的器件400那样，液体330可以位于第一光能转换层110及第二光能转换层120之间。为了进一步提高光的吸收效率，第一光能转换层110可以具有与第二光能转换层120不同的表面积。第二光能转换层120可以具有比第一光能转换层110大的表面积。
[0090]
实施例
[0091]
以下，参照实施例对本技术的无机化合物半导体进一步进行详细说明。
[0092]
(试样1)
[0093]
通过使用了y及zn的单质金属作为靶材的共溅射法，使薄膜在基板上生长。基板为无碱玻璃(corning公司制，商品名：eagle xg)。在腔室以25sccm的流量供给氮(95摩尔％)及氢(5摩尔％)的混合气体。溅射中的腔室内的压力保持为2pa。在薄膜的生长中，基板的温
度保持为摄氏200℃。向y靶材供给的rf电力为30w。向zn靶材供给的rf电力为20w。薄膜的生长实施了20小时。这样一来，形成了由试样1形成的薄膜。在由试样1形成的薄膜生长之后，在将氮及氢的混合气体的压力保持为2pa的状态下直接使腔室的内部冷却。
[0094]
图8示出由试样1形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。在根据预测得到的晶体结构对x射线衍射图案进行的转换中使用了晶体结构可视化软件程序vesta及x射线衍射分析软件程序rietan。以下，“斜入射x射线衍射”称为gixd。就gixd测定来说，使用cukα射线，测定波长为0.15405纳米，而且使用了全自动水平型多功能x射线衍射装置(rigaku制，商品名：smartlab)。入射角ω保持为0.5
°
。
[0095]
如图8所示，由试样1形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案与使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案一致。通过能量分散型x射线分析法(以下称为“edx法”)测得了由试样1形成的薄膜中的zn与y的摩尔比(即zn/y的摩尔比)。其结果是zn与y的摩尔比为3.0。这些结果表明合成了尚未报告合成例的yzn3n3。
[0096]
图9a示出由试样1形成的薄膜的吸光系数光谱。图9b示出吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2。图9a所示的吸光系数光谱如下所述地求出：对从由试样1形成的薄膜透射的光的透射率及反射率进行测定，接着将该透射率及反射率的测定结果转换成吸光系数光谱。图9b示出由试样1形成的薄膜为具有2.0ev的带隙的直接跃迁型半导体。如图9a所示，吸光系数显示出陡峭的上升。这些结果表明：由试样1形成的薄膜是适于光能转换元件中的光能转换材料的无机化合物半导体。
[0097]
(试样2)
[0098]
除了向zn靶材供给的rf电力为30w以外，与试样1的情况相同地使薄膜在基板上生长。这样一来，得到了由试样2形成的薄膜。
[0099]
图10示出由试样2形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。另外，试样2也与试样1的情况相同地供于gixd。如图10所示，与试样1的情况相同地，由试样2形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案与使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案一致。这表明合成了具有与尚未报告合成例的yzn3n3相同的晶体结构并且含有y、zn以及n的无机化合物。
[0100]
通过edx法测得了由试样2形成的薄膜中的zn与y之摩尔比。其结果是zn与y之摩尔比为4.8。
[0101]
图11a示出由试样2形成的薄膜的吸光系数光谱。图11b示出由试样2形成的薄膜的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。图11a所示的吸光系数光谱如下所述地求出：测定由试样2形成的薄膜的透射率及反射率，接着将薄膜的透射率及反射率的测定结果转换成吸光系数光谱。图11b示出由试样2形成的薄膜为具有1.9ev的带隙的直接跃迁型半导体。如图11a所示，吸光系数显示出陡峭的上升。这些结果表明：由试样2形成的薄膜是适于光能转换元件中的光能转换材料的无机化合物半导体。
[0102]
(试样3)
[0103]
除了向zn靶材供给的rf电力为15w以外，与试样1的情况相同地使薄膜在基板上生长。这样一来，得到了由试样3形成的薄膜。
[0104]
图12示出由试样3形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。另外，试样3也与试样1的情况相同地供于gixd。如图12所示，在由试样3形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案中观察到不清楚的峰。
[0105]
通过edx法测得了由试样3形成的薄膜中的zn与y之摩尔比。其结果是zn与y之摩尔比为2.4。
[0106]
图13a示出由试样3形成的薄膜的吸光系数光谱。图13b示出由试样3形成的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。图13a所示的吸光系数光谱如下所述地求出：对由试样3形成的薄膜的透射率及反射率进行测定，接着将测得的薄膜的透射率及反射率的测定结果转换成吸光系数光谱。图13b示出由试样3形成的薄膜是具有2.6ev的带隙的直接跃迁型半导体。如图13a所示，吸光系数显示出陡峭的上升。这些结果表明：由试样3形成的薄膜是能够用作光能转换元件所包含的光能转换材料的无机化合物半导体。
[0107]
(试样4)
[0108]
除了向zn靶材供给的rf电力为45w以外，与试样1的情况相同地使薄膜在基板上生长。
[0109]
图14示出由试样4形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案及使用通过第一原理计算法预测得到的晶体结构而算出的yzn3n3的x射线衍射图案。就试样4来说，进行了与试样1的情况相同的gixd。图14所示，在由试样4形成的薄膜的实际的斜入射x射线衍射图案中观察到不清楚的峰。
[0110]
通过edx法测得了由试样4形成的薄膜中的zn与y之摩尔比。其结果是zn与y之摩尔比为7.3。
[0111]
图15a示出由试样4形成的薄膜的吸光系数光谱。图15b示出测定的吸光系数光谱的tauc曲线图(hν对(αhν)2)。图15a所示的吸光系数光谱如下所述地求出：对由试样4形成的薄膜的透射率及反射率进行测定，接着将测得的薄膜的透射率及反射率的测定结果转换成吸光系数光谱。图15b示出了由试样4形成的薄膜为具有1.6ev的带隙的直接跃迁型半导体。如图15a所示，吸光系数显示出陡峭的上升。这些结果表明：由试样4形成的薄膜是能够用作光能转换元件所包含的光能转换材料的无机化合物半导体。
[0112]
以下的表2示出由试样1～试样4形成的无机化合物半导体的zn与y之摩尔比及带隙。
[0113]
表2
[0114][0115]
根据表2可知：随着zn与y之摩尔比的减少，无机化合物半导体薄膜的带隙变大。
[0116]
产业上的可利用性
[0117]
本技术的无机化合物半导体能够用作光能转换材料。本技术的无机化合物半导体
能够适宜地用于太阳能电池或阳光水分解器件。本技术的无机化合物半导体也可以用于二极管、晶体管或传感器这样的半导体器件。
[0118]
符号说明
[0119]
100
ꢀꢀꢀꢀ
光能转换元件
[0120]
110
ꢀꢀꢀꢀ
第一光能转换层
[0121]
120
ꢀꢀꢀꢀ
第二光能转换层
[0122]
130
ꢀꢀꢀꢀ
第一电极
[0123]
200
ꢀꢀꢀꢀ
器件
[0124]
210
ꢀꢀꢀꢀ
第二电极
[0125]
300
ꢀꢀꢀꢀ
器件
[0126]
310
ꢀꢀꢀꢀ
电极
[0127]
320
ꢀꢀꢀꢀ
导线
[0128]
330
ꢀꢀꢀꢀ
液体
[0129]
340
ꢀꢀꢀꢀ
容器
[0130]
400
ꢀꢀꢀꢀ
器件
[0131]
500
ꢀꢀꢀꢀ
光